Спуск и посадка КА. Часть1

Фэн Шуй пространства

Изучение Солнечной системы с помощью космических аппаратов вносит большой вклад в развитие естественных наук. Большое внимание к Солнцу определяется вечно живущим в человеке желанием понять, как устроен мир, в котором он живет. Но если раньше человек мог только наблюдать движение небесных тел и изучать на расстоянии некоторые (зачастую малопонятные) их свойства, то сейчас научно-техническая революция дала возможность достичь ряда небесных тел Солнечной Системы и провести наблюдения и даже активные эксперименты с близкого расстояния в их атмосферах и на поверхностях. Эта возможность детального изучения "на месте" изменяет саму методологию изучения небесных тел, которая уже сейчас широко использует арсенал средств и подходов, применяемых в комплексе наук о Земле. На стыке планетной астрофизики и геологии идет формирование новой ветви научного знания - сравнительной планетологии. Параллельно на базе законов электродинамики, атомной физики и физики плазмы идет формирование другого подхода к изучению Солнечной системы - космической физики. Все это требует развития методов и средств космических исследований, т.е. разработки, проектирования, изготовления и запуска космических аппаратов. Главное требование, предъявляемое к КА,- это его надежность. Основными задачами спускаемых и посадочных (ПА) аппаратов являются торможение и сближение с поверхностью планеты, посадка, работа на поверхности, иногда взлет с поверхности для доставки возвращаемого аппарата на землю. Для обеспечения надежного решения всех этих задач при проектировании СА и ПА необходимо учитывать условия в окрестностях и на поверхности изучаемого тела: ускорение свободного падения, наличие или отсутствие атмосферы, а также ее свойства, характеристики рельефа и материала поверхности и т.д.

Все эти параметры предъявляют определенные требования к конструкции спускаемого аппарата. Спуск является очень важным этапом космического полета, так как только успешное его выполнение позволит решить поставленные задачи. При разработке СА и ПА принимаются две принципиально различные схемы спуска:- с использованием аэродинамического торможения (для планет, имеющих атмосферу);- с использованием тормозного ракетного двигателя (для планет и других небесных тел, не имеющих атмосферы).

Участок прохождения плотных слоев атмосферы является решающим, так как именно здесь СА испытывают наиболее интенсивные воздействия, определяющие основные технические решения и основные требования к выбору всей схемы полета. Отметим наиболее трудоемкие и сложные задачи, решаемые при проектировании СА:исследование проблем баллистического и планирующего спусков в атмосфере;исследование динамики и устойчивости движения при различных режимах полета с учетом нелинейности аэродинамических характеристик ;разработка систем торможения с учетом задач научных измерений в определенных слоях атмосферы, особенностей компоновки спускаемого аппарата, его параметров движения и траектории.

Что касается спуска на планеты, лишенные атмосферы (классическим примером здесь является Луна), то в этом случае единственной возможностью является использование тормозного двигателя, чаще всего жидкостного (ЖРД). Эта особенность порождает дополнительные (кроме чисто баллистических) проблемы, связанные с управлением и стабилизацией СА на так называемых активных участках - участках работы ракетного двигателя. Рассмотрим более подробно некоторые из этих проблем. Корни проблемы устойчивости СА на активном участке лежат в существовании обратной связи между колебаниями топлива в баках, корпуса СА и колебаниями исполнительных органов системы стабилизации. Колебания свободной поверхности топлива, воздействуя на корпус СА, вызывают его поворот относительно центра масс, что воспринимается чувствительным элементом системы стабилизации, который, в свою очередь, вырабатывает командный сигнал для исполнительных органов.

Задача заключается в том, чтобы колебания замкнутой системы объект - система стабилизации сделать устойчивыми (если нельзя их исключить вовсе). Заметим, что острота этой проблемы зависит от совершенства компоновочной схемы СА, а также от структуры и параметров автомата стабилизации (АС). Желательно, конечно, этот комплекс вопросов решить уже на стадии эскизного проектирования СА. Трудность здесь, однако, в том, что на этом этапе практически нет информации о системе стабилизации объекта, в лучшем случае известна структура автомата стабилизации. Поэтому проводить анализ устойчивости СА на данном этапе невозможно.

В то же время ясно, что полностью сформированный конструктивный облик СА целиком (или, во всяком случае, в значительной мере) определяет его динамику - реакцию на возмущение в процессе посадки. Следовательно, задача теоретического анализа заключается в выборе математического аппарата, способного выявить эту зависимость на языке, понятном разработчику. Такой аппарат существует, и он опирается на известные термины "управляемость", "наблюдаемость", "стабилизируемость", характеризующие именно свойства СА как объекта управления в процессе регулирования. Этот аппарат дает возможность детально изучить зависимость "качества" конструктивно-компоновочной схемы СА от его проектных параметров и в конечном счете дать необходимые рекомендации по доработке компоновки объекта либо обосновать направление дальнейших доработок.